用弹簧探针法测试含硼铝炸药的爆轰性能

李兴隆，刘清杰，宋清官，高大元，郑保辉，曹 威，肖 春，谭凯元

(1. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900; 2. 中国工程物理研究院安全弹药研发中心，四川 绵阳 621900)

用弹簧探针法测试含硼铝炸药的爆轰性能

李兴隆1,2，刘清杰1,2，宋清官1,2，高大元1,2，郑保辉1，曹 威1,2，肖 春1，谭凯元1,2

(1. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900; 2. 中国工程物理研究院安全弹药研发中心，四川 绵阳 621900)

为探索硼铝复合粉在热固PBX中的应用，以HMX为基，加入氧化剂高氯酸铵(AP)、硼铝复合粉和聚氨酯黏结剂，设计和制备了6种配方的含硼铝炸药；分别制备3种带壳体及3种不带壳体的Φ50mm含硼铝炸药柱；用弹簧探针法测试了无壳体药柱和带壳体药柱的爆速，分别用经验公式和相对凹坑深度法计算了爆压，讨论了硼铝复合粉含量对其爆轰性能的影响。结果表明，炸药GH-4、GH-5和GH-6用手工浇注成型，Φ50mm×150mm炸药柱密度在1.530～1.570g/cm3之间，爆速在6.900～7.400mm/μs之间，爆压约19GPa，适用于含硼铝炸药配方筛选；炸药PF-1、PF-2和PF-3用真空振动浇注成型，Φ50mm×110mm炸药柱密度约1.693g/cm3，爆速在7.800～8.000mm/μs之间，爆压约24GPa。炸药PF-3中含质量分数20%、硼铝质量比1∶1的复合粉，含金属炸药的组合效应使少量硼铝复合粉在反应区参加反应，其爆速和爆压值较其他配方高，表明弹簧探针法可作为炸药爆速测试的一种补充电测法，在无法实施铜箔探针法的情况下，可以考虑用弹簧探针法。

含硼铝炸药；弹簧探针法；爆速；爆压

引 言

活性金属在含能材料中的运用能够快速有效提高其作功能力和爆炸威力[1-2]。但在含能材料中加入金属粉后，其机械感度增加，特别是在HMX、AP和黏结剂组成的体系中加入铝粉、硼粉及硼铝复合粉后，其机械感度增加更多。含硼铝炸药在制备和加工过程中，不可避免地要发生摩擦、挤压和切削等作用，机械感度的高低是决定其能否安全使用的关键因素之一[3-4]。采用钝化HMX和AP、减少硼铝复合粉的形貌缺陷、相对增加黏结剂的含量可降低含硼铝炸药的机械感度，使其达到PBX炸药柱制备和机加的安全要求。

在含硼铝炸药研制过程中，其爆速和爆压是需要测试的基本爆轰性能参数。传统的炸药爆速测试方法包括道特里什法[5]、电探针测时仪法[6-7]、光纤测时法[8]、高速摄影法[9]等。其中，使用的电探针有铜箔探针和弹簧探针。铜箔探针法需要将成型炸药件加工成小药柱，在多个炸药柱之间嵌入电探针；弹簧探针法是将电探针安装在成型药柱的侧面位置，合金探针接触部位为半球型点接触，其优点是有机玻璃探针支架和弹簧探针安装方便，测量间距和探针数量可调、响应快，测试精度满足使用要求，是炸药爆速测试的一种补充电测法。中物院流体物理研究所已将弹簧探针法用于炸药球面爆轰波形精密测量以及TATB基非理想炸药爆速测量中，获得较佳的试验结果[10-11]。

本研究对设计和制备的3种无壳体和3种带壳体Φ50mm含硼铝炸药柱，用弹簧探针法测试了其爆速，分别用经验公式和相对凹坑深度法计算了爆压，获得理想的试验和计算结果，为制备低感高能的含硼铝炸药提供了理论和试验依据。

1 实 验

1.1 材料与仪器

HMX，甘肃白银银光化学材料有限公司，质量分数99.9%，粒径6.7μm；钝化HMX，中国工程物理研究院化工材料研究所，粒径约20～30μm；AP，大连氯酸钾厂，分析纯，质量分数99.5%，粒径约200μm；钝化AP，中国工程物理研究院化工材料研究所，粒径200μm；Al粉，辽宁鞍钢实业微细铝粉有限公司，分析纯，质量分数99%，粒径约1～5μm；B粉，河北保定硼达新材料科技有限公司，分析纯，质量分数99.9%，粒径约1～5μm；B/Al复合粉，河北保定硼达新材料科技有限公司，复合粉中B粉质量分数分别为50%、30%，粒径约5～20μm；端羟基聚异丁烯(HTPB)，洛阳黎明化工研究院，平均相对分子质量2000，羟值0.76mmoL/g。

爆速测量仪由3部分组成：WaveSurfor44Xs-A数字示波器，美国力科公司；半球形针头弹簧电探针，外径0.7mm，昆山柏越电子有限公司；有机玻璃探针支架，绵阳鑫工机械有限公司。

1.2 样品制备

设计和制备的6种含硼铝炸药配方(质量分数)见表1。

表1 含硼铝炸药配方

注：1号B/Al复合粉中，B质量分数为50%；2号B/Al复合粉中，B质量分数为30%。

根据表1设计的配方，称取一定量的钝化HMX、Al、硼铝复合粉和黏结剂，配方总质量约2.8kg。经过配料、升温熔化和搅拌均匀后制成药浆，在真空振动浇注机上依次装入一批Φ50mm×110mm(壁厚5mm)的金属模具中。然后在50℃下固化120h，冷却至室温开模，无壳体样品见图1(a)，其装药密度由排水法测量。

根据表1设计的配方，称取一定量的钝化HMX、AP、Al、硼铝复合粉和黏结剂，配方总质量约500g。经过配料、升温熔化和搅拌均匀后制成药浆，人工装入Φ50mm×150mm(壁厚2mm)纤维管中。然后在50℃下固化120h，带壳体样品见图1(b)，其装药密度根据装药质量和体积计算。

图1 含硼铝炸药样品Fig.1 Samples of explosives containing B/Al

1.3 测试方法

爆速电测法原理是利用炸药爆轰波阵面电离产物的导电特性，用电探针和示波器测定爆轰波在一定长度炸药柱中传播的时间，计算获得样品的爆速[12]。本研究测试方法使用弹簧电探针，安装在药柱的侧面位置，探针材料为合金，针头为半球形，针尾有长8mm的弹簧，其功能使针头紧密接触被测部位。装配时，在成型炸药柱的侧面下端沿轴向固定长110mm有机玻璃探针支架，支架上加工有7个Φ0.7mm相距15mm的通孔，用于精确装配弹簧探针，弹簧探针导线通过网络板与示波器连接。然后，将药柱底面固定在Φ120mm×50mm 45号钢鉴证板中心位置。传爆药尺寸为Φ40mm×20mm药柱，用8号工业雷管从顶端起爆，试验装置照片见图2。

图2 弹簧探针法装置照片Fig.2 Device photographs of sping electric pin method

含硼铝炸药试样被8号雷管和传爆药引爆后，经过一段距离的传播达到稳定爆轰，爆轰波到达弹簧探针头部位置时导通的电信号传递到示波器，在示波器中依次记录波形图。根据波形图获得各探针之间爆轰波传播的距离和时间，由公式组(1)计算爆速。

(1)

式中：l为相邻两探针之间的距离，15mm；Δti为第i个探针获得波形图起始时刻与第i+1探针获得波形图起始时刻之间的时间差，μs；Di为第i个探针与第i+1探针之间炸药柱的爆速，mm/μs；L为第一个至第七个探针间的距离，90mm；Δt为第一个探针获得波形图起始时刻与第七个探针获得波形图起始时刻之间的时间差，μs；Dmean为炸药柱的平均爆速，mm/μs。

爆压用经验公式计算[13]，也可以通过鉴证板上的相对凹坑深度与爆压之间的关系曲线计算，并可用来评价含金属炸药的作功能力[14-15]。

2 结果与讨论

2.1 无壳体炸药的爆速和爆压

成型炸药柱PF-1、PF-2和PF-3尺寸均为Φ50mm×110mm，有机玻璃探针支架长度为110mm，需使用2个药柱才能使爆轰波传递到第一个弹簧探针位置时达到稳定。由示波器记录的波形图见图3，鉴证板照片见图4。

图3 弹簧探针法测试得到的无壳体炸药的爆轰波波形图Fig.3 Measurement waveforms of explosives without shell by spring electric pin method

用电探针法测量炸药的爆速时，对示波器记录脉冲曲线的读取原则都是取波形图起始时刻，即爆轰波阵面导通电探针的时刻，没有考虑后续脉冲上升前沿的变化，通过一个或多个波形图的时间差计算爆速。由图3波形图获得各探针之间爆轰波传播的时间，用公式组(1)计算获得的爆速见表2。

表2 无壳体炸药的爆速测试结果

炸药PF-1、PF-2和PF-3的区别在于硼粉和铝粉的含量不同，但金属粉总质量分数为20%。样品制备为公斤级，熔融药浆经真空振动浇注成型，固化开模后其成型炸药柱的外观质量较好，肉眼观察无缺陷。炸药PF-1和PF-2密度为1.693g/cm3，炸药PF-3密度为1.694g/cm3，表明真空振动浇注工艺能获得均匀性较佳的含硼铝炸药装药。

硼的质量燃烧热相当于铝的两倍，但硼粉的点火和燃烧特性较差，配方设计思路是使用硼铝复合粉，由铝粉燃烧带动硼粉燃烧，通过组合效应使部分硼铝复合粉在反应区参加反应，且在二次燃烧反应中释放出较大的后效作功能力[16]。本研究使用硼铝质量比1∶1的复合粉，用扫描电镜(SEM)观测其微区外观形貌，获得微米尺度下的SEM照片见图5。

图5 硼铝复合粉的SEM照片Fig.5 SEM photograph of B/Al compound powder

从图5可知，在球形Al粉的表面包覆着许多小尺寸的无定性片状硼粉，硼铝复合粉颗粒粒径约20μm。若硼铝复合粉在爆轰反应区部分参加反应，则对爆速有贡献；若硼铝复合粉与爆轰产物反应，则对作功能力有贡献。从表2可知，炸药PF-1是含铝炸药，爆速仅7.833mm/μs；炸药PF-2含质量分数12%的硼铝复合粉，爆速增加至7.959mm/μs；炸药PF-3含质量分数20%的硼铝复合粉，爆速达到8.018mm/μs，这是因为含硼铝炸药的组合效应使少量硼铝复合粉在反应区参加反应，使其爆速增加，而且硼铝复合粉含量越高，其爆速增加越大。根据经验公式(2)计算炸药PF-1、PF-2和PF-3的爆压，计算结果见表3。

(2)

式中：ρ0为炸药柱的密度，g/cm3；γ为含硼铝炸药的多方指数；p1为炸药柱爆压的计算值，GPa。其中，γ取值参考文献[17]中用VLWR爆轰程序计算RDX基含铝炸药的爆轰性能参数获得的多方指数，其γ值与铝粉的最终反应产物有关，在2.98～3.45之间。综合考虑，本研究含硼铝炸药多方指数取3.2。

从图4可知，鉴定板上均有较深的凹坑，表明设计和制备的含硼铝炸药均具有良好的起爆传爆性能。用已知爆压的Φ50mm×50mmTNT、钝化RDX、PBX-1和PBX-2炸药药柱进行板痕试验，鉴证板尺寸为Φ120mm×50mm的45号钢。以TNT的凹坑深度h0=6.189mm为基准，获得爆压与相对凹坑深度(B%=h×100/h0)之间的关系曲线见图6，其线性拟合方程见式(3)。

p2=0.26945B-7.4097

(3)

式中：B为鉴证板凹坑深度的相对值，%；p2为爆压的测量值，GPa。用公式(3)计算炸药PF-1、PF-2和PF-3的爆压，其计算结果也列于表3中。

图6 爆压与相对凹坑深度关系曲线Fig.6 Curves of relationship between detonation pressure and relative dent depth

炸药编号ρ/(g·cm-3)D/(mm·μs-1)γp1/GPah/mmB/%p2/GPaPF-11.6937.8333.224.737.146142.1223.69PF-21.6937.9593.225.537.127155.4023.61PF-31.6948.0183.225.937.192162.5323.89

从表3可知，对炸药PF-1、PF-2和PF-3，用经验公式计算的爆压分别为24.73、25.53和25.93GPa，根据试验鉴定板的相对凹坑深度计算的爆压分别为23.69、23.61和23.89GPa，两者比较接近。其中，炸药PF-3的爆压最高。这是因为该配方中使用了质量分数20%、硼铝质量比为1∶1的复合粉(见图5)，虽然未形成硼铝合金，但硼粉和铝粉比较均匀地复合在一起，增加了致密性，使炸药PF-3的密度比其他配方稍高；此外，硼铝复合粉中铝粉的燃烧更易带动硼粉的燃烧，含硼铝炸药的组合效应促使部分硼铝复合粉在反应区参加反应。因此，炸药PF-3的爆压比其他配方的爆压稍高[18]。

2.2 带壳体炸药柱的爆速和爆压

炸药GH-4、GH-5和GH-6装入Φ50mm×150mm(壁厚2mm)纤维管中成型为带壳体炸药柱。第一个弹簧探针位置与样品上端面相距50mm，因此，爆轰波传递到第一个弹簧探针位置时已达稳定。由示波器记录的波形图见图7，鉴证板照片见图8。

由图7波形图获得各探针之间爆轰波传播的时间，根据公式组(1)计算获得的爆速见表4；分别用公式(2)和公式(3)计算获得的爆压见表5。

图8 带壳体炸药的鉴证板照片Fig.8 Photographs of the identification plates of explosives with shell

炸药编号ρ/(g·cm-3)t/μsD/(mm·μs-1)Δt1Δt2Δt3Δt4Δt5ΔtD1D2D3D4D5DmeanGH-41.5362.1552.1062.1752.1862.17510.7976.9617.1236.8976.8626.8976.946GH-51.5651.9962.0262.0762.0231.98910.1107.5157.4047.2257.4157.5417.418GH-61.5752.0321.9641.9962.0142.08110.0877.3827.6377.5157.4487.2087.435

表5 带壳体炸药爆压的测试和计算结果

炸药GH-4、GH-5和GH-6为百克级样品制备，手工浇注至纤维管中固化成型，其炸药柱的密度较低，适用于早期的配方筛选。从表4和表5可知，在炸药GH-4中，为降低机械感度，其黏结剂质量分数高达18%，因而其密度、爆速和爆压都较低。在炸药GH-5和GH-6中，黏结剂质量分数为16%，且使用了质量分数22%、硼铝质量比为3∶7的复合粉，虽然未形成硼铝合金，但部分硼粉和铝粉已比较均匀地复合在一起，增加了致密性，使配方密度增加；此外，含硼铝炸药的组合效应使少量硼铝复合粉在反应区参加反应，其爆速和爆压比炸药GH-4高。由于炸药GH-6中无AP组分，主炸药HMX组分比炸药GH-5高16%，因此，其爆速和爆压也比炸药GH-5高。

2.3 爆轰性能的影响因素分析

弹簧探针法测量6种含硼铝炸药的爆速对比结果见图9。

图9 含硼铝炸药的爆速测试结果Fig.9 Measurement results of detonation velocity for explosives containing B/Al

由图9可知，对比炸药PF-1、PF-2、PF-3的爆速曲线，随着铝含量的减小和硼铝复合粉的增加，爆速呈增大的趋势。分析原因认为，铝粉在炸药爆轰时没有参加C-J面以前的反应或在C-J面远未反应完全，其在反应动力学上对反应物的质量浓度起稀释作用，而且还要吸热和消耗一部分能量，从而降低爆轰反应区的能量，使爆速降低[19]。含硼铝炸药的组合效应使少量硼铝复合粉在反应区参加反应，使其爆速增加，而且硼铝复合粉含量越高，其爆速增加越大。对比无壳体炸药(PF-1、PF-2、PF-3)和带壳体炸药(PF-4、PF-5、PF-6)的爆速曲线可知，无壳体炸药比带壳体炸药的爆速更高，这是因为用真空振动浇注成型的炸药柱质量较好、密度较高。

探针支架的加工质量会影响测量精度，探针孔之间的距离直接影响爆速的计算；探针支架与炸药柱的装配精度也影响爆速的测量精度，如探针支架与炸药柱轴线的平行度，探针支架与炸药柱紧贴的紧密程度等。由于弹簧探针头部为半球型，与被测炸药柱侧面为点接触，因此，探针直径不是影响爆速测量的主要因素。若直径太小，不便于安装和固定。在相同配方和密度情况下，装药炸药柱的缺陷也会对爆速产生影响，缺陷越大其爆速越低[20]。

由于炸药爆轰时存在侧向膨胀现象，即侧面稀疏波，致使反应区的能量密度降低，爆轰波阵面强度降低，炸药反应剧烈程度下降，进而使得爆轰波的传播速度降低。因此，侧面稀疏波越强烈，则爆速越低[21]。由于弹簧探针法测量原理是根据爆轰波阵面的电离导电特性，而探针安装在炸药柱外表面，爆轰波经过一段距离后会成为边界弯曲中间突出的曲面爆轰波，测得的爆速是曲面爆轰波侧向波阵面的传播速度，其测量精度也受到侧面稀疏波的影响。

3 结 论

(1)炸药PF-1、PF-2和PF-3用真空振动浇注成型，其炸药柱均匀性较好。炸药PF-3的爆速为8.018mm/μs，爆压约24GPa。这是因为该炸药中使用了质量分数20%、硼铝质量比为1∶1的复合粉，虽然未形成硼铝合金，但增加了致密性，使其密度比其他炸药稍高。此外，硼铝复合粉中铝粉的燃烧更易带动硼粉的燃烧，含硼铝炸药的组合效应促使部分硼铝复合粉在反应区参加反应。

(2)炸药GH-4、GH-5和GH-6用手工浇注至纤维管中固化成型，其炸药柱的密度较低，适用于早期炸药筛选。在炸药GH-5和GH-6中，使用了质量分数22%、硼铝质量比为3∶7的复合粉，含硼铝炸药的组合效应使少量硼铝复合粉在反应区参加反应，其爆速和爆压比炸药GH-4高。由于炸药GH-6中无AP组分，主炸药HMX组分比炸药GH-5高16%，因此，其爆轰性能参数也比炸药GH-5高。

(3)弹簧探针法测得的爆速是曲面爆轰波侧向波阵面的传播速度，测量精度受到侧面稀疏波的影响，同时受探针支架的加工精度、探针支架与炸药柱装配精度的影响。在相同成分和密度情况下，装药炸药柱的缺陷也会对爆速产生影响，缺陷越大则其爆速越低。

(4)弹簧探针法测试炸药柱爆速具有安装方便、测量间距和探针数量可调等优点。对大尺寸含硼铝炸药柱，可直接用弹簧探针法测试获得其爆轰性能参数。该方法可推广应用于其他含金属炸药、液体炸药和浆状炸药的爆轰性能测试。

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Detonation Property Measurement of Explosive Containing B/Al by Spring Electric Pin Method

LI Xing-long1,2,LIU Qing-jie1,2,SONG Qing-guan1,2,GAO Da-yuan1,2,ZHENG Bao-hui1,CAO Wei1,2,XIAO Chun1,TAN Kai-yuan1,2

(1.Institute of Chemical Materials,CAEP,Mianyang Sichuan 621900,China;2.Robust Munitions Center,CAEP,Mianyang Sichuan 621900,China)

To explore the application of B/Al compound powder in thermosetting plastic bonded explosive, six kinds of HMX based explosives containing boron (B) and aluminum (Al) were designed and prepared by adding oxidizer ammonium perchlorate (AP), B/Al compound powder and binder hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB). Three kinds of Φ50mm explosive cylinders containing B/Al with shell and without shell were prepared respectively. The spring electric pin method was applied to measure detonation velocities of explosive cylinders with shell and without shell respectively. The detonation pressures were calculated by the experienced formula and relative dent depth method respectively, the influence of B/Al compound powder content on detonation property was discussed. The results show that the explosives GH-4, GH-5, GH-6 are solidified by manual casting, the densities of Φ50mm explosive cylinders are between 1.530-1.570g/cm3, the detonation velocities are between 6.900-7.400mm/μs, and the detonation pressures are about 19GPa, the manual casting is suitable for screening of explosive formulas; While the explosives PF-1, PF-2 and PF-3 are solidified by void vibration casting, the densities of Φ50mm explosive cylinders are about 1.693g/cm3, the detonation velocities are between 7.800-8.000mm/μs, and the detonation pressures are about 24GPa. The explosive PF-3 with B/Al compound powder mass ratio of 1∶1 and mass fraction of 20%, the combination effect of metalized explosive leads a little of B/Al compound powder to take reaction in reaction area, comparing to other formulas, the detonation velocity and detonation pressure of explosive are higher. It indicates that the spring electric pin method can be an additional method for detonation velocity measurement, and it can be adopted if copper foil electric pin method can′t be taken.

explosive containing B/Al; spring electric pin method; detonation velocity; detonation pressure

2017-08-25；

2017-09-30

国家自然科学基金面上项目(No.11572359)；国家自然科学基金青年项目(No.11502249;No.11602238)；中物院发展基金资助(No.2015B0101012)

李兴隆(1988-)，男，博士，研究实习员，从事弹药工程与数值模拟研究。E-mail: lixinglong.sj@163.com

高大元(1962-)，男，博士，副研究员，从事含能材料的热分析、爆轰和安全性能研究。 E-mail: gaody466@163.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.010

TJ55;TQ56

A

1007-7812(2017)06-0059-07